Gitter-spektrometri

Fysik A · STX · A-niveau · Eksperimentelt arbejde

⚛️ Gitter-spektrometri

Gitter-spektrometri bestemmer bølgelængder af lys via diffraktionsgitter.

Princip: hvidt lys passerer gennem gitter → forskellige bølgelængder bøjes forskelligt → spektrum dannes. Rød (lang λ) bøjes mest. Violet (kort λ) bøjes mindst.

Gitter-formel: d·sin(θ) = n·λ.

Procedure:

1. Opstil lyskilde (hydrogen-, helium-, neon-gas-udladningsrør, eller hvid LED).

2. Skinn lyset gennem gitter.

3. Mål vinkler θ_n til diffraktionsmaksima for n = 1, 2, 3 ordrer.

4. Beregn λ = d·sin(θ)/n.

Eksempler — emissionspektre: hydrogen-balmer-serien: H_α 656 nm (rød), H_β 486 nm (cyan), H_γ 434 nm (violet), H_δ 410 nm. Helium: 587 nm (gul), 668 nm (rød), 706 nm (rød), 447 nm (blå). Disse linjer er karakteristiske for elementet — som "fingeraftryk".

Anvendelser

stjerne-klassifikation (astronomi — solens spektrum afslører H, He, Fe, Na osv.), kemisk analyse, neonskilte-design.

Absorptionsspektre: kontinuerlig spektrum med mørke linjer (Fraunhofer-linjer i solens spektrum). Vis at solens atmosfære absorberer specifikke bølgelængder. Bohrs atomodel og frekvensbetingelse: E_n2 - E_n1 = h·f. Forklarer hvorfor atomer udsender specifikke linjer.

Skoleforsøg

brug 600 linjer/mm gitter (1 mm = 600 spalter). Hydrogenudladningsrør. Mål θ med vinkelmåler eller målte afstande. Sammenlign målt λ med tabelværdier.

Forbedringer: brug spektrometer (Bunsen-spektroskop) for præcision.

Sammen med fotoelektrisk effekt: kvantefysik-laboratorium der demonstrerer atomets struktur og diskrete energiniveauer — de samme kvantespring som ses i emissionsspektrenes skarpe linjer.

Læringsmål

• Have udført minimum 20-25 eksperimenter
• Skrive forsøgsjournaler og rapporter
• Anvende måleusikkerhed og fejlkilder
• Behandle eksperimentelle data med regression
• Bestemme fysiske konstanter eksperimentelt

Sådan kan du arbejde med emnet

• Forklar, hvordan et gitter kan bruges til at splitte lys op i dets spektrum
• Brug gitterformlen til at beregne bølgelængden af lys ud fra målte vinkler
• Diskutér, hvordan gitterspektrometri kan bruges til at identificere grundstoffer i en lyskilde

Eksperiment-forslag

• Mål Balmer-seriens bølgelængder med et 600 linjer/mm-gitter på et hydrogenudladningsrør, og sammenlign med tabelværdierne 656, 486, 434 og 410 nm.
• Bestem gitterkonstanten d ved at måle på en kendt lyskilde (fx natriumlampe, 589 nm), og brug derefter samme gitter til at analysere en ukendt lyskilde.
• Optag spektret fra en hvid LED og en glødepære, og diskutér hvorfor det ene er kontinuert og det andet ikke.

Brobygning

Lysspektre afslører atomets indre energiniveauer — men atomkernen kan også undersøges direkte ved at måle den STRÅLING den udsender ved radioaktivt henfald. Næste emne er 'Geiger-Müller-tæller for radioaktivitet'.